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出版者:Blackwell Pub

作者:Johnson, Mark H. (EDT)/ Munakata, Yuko (EDT)/ Gilmore, Rick O. (EDT)

出品人:

页数:560

译者:

出版时间:2002-6

价格:1243.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9780631217367

丛书系列:

图书标签:

• 认知神经科学
• 脑发育
• 认知发展
• 认知心理学
• 神经科学
• 儿童发展
• 学习
• 大脑
• 神经认知
• 发展心理学
• 行为神经科学

《深空导航与星际通信》 内容提要 本书深入探讨了人类探索深空的宏伟事业中，导航定位与远距离通信所面临的极端挑战与前沿解决方案。在真空、强辐射和巨大时滞的宇宙环境中，任何微小的误差都可能导致任务失败。本书系统梳理了从经典天体测量学到现代量子辅助导航的演进历程，详细阐述了高精度星际航迹推算、实时轨道确定以及应对极端带宽受限的通信策略。它不仅是航天工程师和深空任务规划者的必备参考，也是对宇宙探索抱有热忱的科研人员和高年级学生的理想读物。 第一章：深空导航的基石——从天文测量到惯性参考 本章首先回顾了人类历史上早期导航技术的局限性，重点聚焦于如何将地球上的导航概念扩展到太阳系尺度。我们详细分析了“深空网络”（DSN）在测距和测速中的核心作用，解释了多普勒频移和微波延迟时间测量如何构成了当前导航精度的大部分基础。 随后，章节深入探讨了惯性导航系统在深空航行中的重要性。在行星际空间中，外部参考点难以保持稳定，因此，高精度的星载惯性测量单元（IMU）成为自主导航的关键。本书对陀螺仪和加速度计的长期漂移模型进行了深入剖析，并介绍了如何利用先进的滤波算法（如扩展卡尔曼滤波和粒子滤波）来融合IMU数据与有限的外部观测数据，以维持高精度的航迹推算。 第二章：天体导航的复兴与未来 随着探测器逐渐远离太阳系，依赖地球基础设施的通信和导航变得愈发困难。本章重新审视了“天体导航”（Astro-navigation）在现代任务中的复兴。我们不仅回顾了传统的星光传感器技术，如利用已知恒星（如CCD星表匹配）进行姿态确定，更侧重于介绍新型的“行星相对导航”技术。 具体而言，本书详细介绍了如何利用目标行星（如火星、木星）或卫星的引力场特征，结合高分辨率成像系统，进行实时的轨道修正。对于更远距离的任务，如旅行者号和新视野号所使用的“脉冲星导航”（Pulsar Navigation, PUSNAV），本书提供了详尽的数学模型，解释了如何利用脉冲星发出的稳定射电信号作为宇宙尺度的“灯塔”进行自主定位，这被认为是实现真正自主星际飞行的关键技术。 第三章：星际通信的物理极限与编码理论 跨越数亿乃至数十亿公里的信息传输，其挑战在于信号的极度衰减（自由空间损耗）和任务时滞（Light-Time Delay）。本章从信息论的角度出发，系统分析了深空通信的物理瓶颈。 我们首先建立并推导了水手信道模型（Mariner Channel Model），用以精确预测在给定发射功率、天线增益和接收机灵敏度下，信噪比（SNR）的变化规律。随后，重点讨论了如何突破香农极限的挑战。本书详细介绍了适用于极低SNR环境的先进前向纠错（FEC）编码方案，包括低密度奇偶校验码（LDPC）、涡轮码（Turbo Codes）以及用于未来任务的概率判决解码器架构。这些章节的重点在于如何用最少的带宽，可靠地传输关键的遥测和科学数据。 第四章：高增益天线设计与波束指向的精度工程 有效的深空通信依赖于精确指向的高增益天线。本章聚焦于工程实现层面，尤其是对于指向误差的容忍度分析。 对于远距离通信任务，主天线的波束宽度可能窄至0.1弧分以下，这意味着指向误差必须控制在极小的范围内。本书详细分析了影响天线指向精度的各种因素，包括热变形、结构振动以及地球自转和轨道运动对地面站天线基座的影响。章节中包含了对自适应光学技术在射电天文学和深空通信中应用的初步探讨，旨在通过实时补偿大气和结构扰动，最大限度地提高有效辐射功率（EIRP）。 第五章：自主化与人工智能在任务控制中的角色 随着任务向太阳系外围推进，依靠地面站的实时干预变得不切实际。本章探讨了将导航和通信决策权下放给航天器的必要性与技术实现。 核心内容包括：星载自主导航系统（Autonomous Navigation Systems, ANS）的架构设计，特别是如何集成视觉相对导航（V-NAV）与惯性测量进行闭环控制。此外，我们详细分析了AI在通信资源管理中的应用，例如，如何利用强化学习模型来动态调整编码率、数据传输优先级和天线指向策略，以最大化关键科学数据的成功下载率，减少对地面站复杂指令的依赖。 第六章：量子技术对未来深空测量的颠覆性潜力 本书最后展望了下一代深空探索技术的革命性方向。量子技术被认为是克服当前导航和通信瓶颈的终极方案。 本章阐述了量子密钥分发（QKD）在保护深空通信安全方面的潜力，尽管在远距离传输中实现难度巨大，但其理论基础值得深入研究。更具可行性的是量子增强型传感器，如基于原子钟的星载时钟系统，其极高的精度将为长期的轨道确定提供前所未有的基准。此外，我们探讨了利用量子纠缠进行超光速信息传输的可能性（虽然目前主要停留在理论物理层面），但它为未来对时空本质的理解提供了研究路径。 结论 《深空导航与星际通信》力求提供一个全面、深入且注重工程细节的视角，以理解人类如何穿越宇宙的浩瀚空间。本书不仅关注现有的成功案例，更着眼于未来几十年内，支撑人类实现火星常驻和最终抵达系外行星任务所必须克服的关键技术障碍。

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